共振夯实机在路基加宽及桥梁台背回填施工中的应用

周印霄++郑会玺

引言

路基稳定至少需要经过两三个雨季的自然沉降才能趋于完成，没有经过雨季自然沉降直接完成路面施工的工程，其稳定完成时间需要5～8年。目前，新建公路中出现的路面问题已经转移到路基的稳定性上，路面沉降变形、开裂、桥头跳车均是因为路基进一步密实和基底进一步压缩所造成的变形而引起的。如何加强路基这一主要承重结构的施工质量成为业界重点关注的问题。因此，更为科学合理、快速便捷且高效地模拟路基沉降过程的创新理念一直是工程师们探讨和研究的热点。

传统的路基施工压实设备有压路机、强力夯实机等，但其作用机理均为以重压促使土体密实，影响深度小，且忽略了弹性土体重压变形导致的土体隆起劈裂以及应力释放等问题。为有效解决前述问题，催生出了一种专用设备——共振夯实机，它采用人为机械干扰的方式，能够迅速提高基底承载力，使路基快速到达基本稳定状态。共振夯实机根据使用场合不同分为大型共振夯实机（图1）和小型共振夯实机（图2）两种。大型共振夯实机适用于新建路基、扩建路基加宽段、高填方路基、压实度不足需做补强处理的路基、紧邻其他构造物的地段等，小型共振夯实机适用于桥涵构造物台背处理以及新旧路基加宽衔接处、沿河路堤等作业受限地段。目前因其优越的夯实效能，共振夯实机已成功应用于京石高速、石安高速、邢衡高速、张承高速、邢汾高速、清东陵高速等十余条高速公路中，并在国省干线公路中得到了大面积推广及应用。

本文仅对小型共振夯实机在高速公路改扩建工程中的应用实例进行分析。

1 共振夯实机的作用机理

共振夯实机利用了弹性土体能形成共振的特性，采用机械固有频率，达到使作用土体产生共振的条件。在土体共振的过程中，土体颗粒自动实现重新组合配位，同时瞬间再对土体施加高达1.4-1.5MPa的强大压力，相当于每平方米施加了140-150t的压力，远远超过了高填方路基路面静载和动载的总和，超标准提高基底的承载力。 大型共振夯实机对每个击点连续击压80次以上，影响深度可达4-15m；小型共振夯实机的影响深度可达1-4m。经过夯击的路基土体承载力可提高25%-30%，有效解决了日后沉降的问题。共振夯实机采用微振幅、高频率，对周围环境影响很小，特别是对已建成的公路构筑物不产生任何损伤。

采用这一设备可解决因人为因素和施工设备的局限导致的路基处理作业不到位或达不到技术要求等问题，每1-2m夯实一遍就能达到增强土基的效果。究其原因，是共振夯实机的作用原理决定了其特别的功效，使土体形成共振，在土粒间摩擦角最小时瞬间施压，达到土体的最大密度，解决土基中的空洞问题。

2 共振夯实机的基本组成

小型共振夯实机的主要组成为带有振动锤、驱动电机及激振器的振动锤机构，在振动锤的底端增设底面均匀分布凸条的作用底板，以及牵引件、导向轮等。这些构件的组合旨在实现单点夯机时间白控、瞬间击压大于1.4MPa、夯头左右横向移动等功能，小型共振夯实机的输入参数（表1）必须严格按照要求进行调整。

单点夯击时间白控功能可使施工时每一单点的击实强度均匀，方便过程控制；要求大于1.4MPa的击实接地压强是为增强路基的强度，提高土基的抗压回弹模量，迅速提高土基的承载力，从而减轻工后进一步的压缩沉降；要求白控功能及夯头的左右横向移动功能是为解决路基边缘夯实，增强土基强度均匀等问题，达到从边到角全方位深度强固的目的。

3 共振夯实机的适用范围及优势

共振夯实机不同于强力夯实机，强夯是在土体相对静止的状态下以其强大的动能击打土体，土体受强大外力而压缩变形。但在变形过程中，土体不仅向下压缩，同时还向四周挤压，达到一定的密度时，击点周围会向上隆起，产生土体劈裂；虽然直观反映是密度增加了，但实际在很多情况下没有起到进一步提高土体承载力的目的。强力夯实机夯实效果如图3所示。共振夯实机作用土体时，土体共振，瞬间连续施压，由于土体颗粒的重新组合，空隙减小，不仅击点土体压缩明显，周围土体也有明显的下沉增密效果。共振夯实机噪声污染小，对周围的建筑物影响也小，是路基快速稳定、增强的可靠专用设备。

4 共振夯实机的作用特性

共振夯实机以其特有的作用机理，克服了强力夯实机的弊端和缺点，具有更强的适用性、便捷性和高效性。

（1）扩散角不同。因共振夯实机与强力夯实机冲击力的扩散角不同，故共振夯实机对夯点周围构造物的影响极大降低。

（2）击实土体的方式不同。共振夯实机采用锤头高频夯击底板，再由底板传到土体中，底板始终不离开土体，在合理控制夯机参数下不会造成夯点周围土体的过度隆起和劈裂，且能实现激振力的有效叠加和放大，夯实效果较为明显（图4）。强力夯实机锤底直接作用于土体，强大的冲击瞬间作用瞬间释放，效率低下且极易造成土体劈裂，使冲击能大量释放（图5）。

5 共振夯实机的应用实例

本文以京石高速改扩建项目为例，对小型夯实机在高速公路改扩建项目中的应用作以说明。

5.1 项目背景

京港澳高速公路是国家高速公路网（7918网）中的一条线路，白北向南连接北京、石家庄、郑州、武汉、长沙、广州、香港、澳门8个中心城市，是中国最早规划的高速公路之一。京石段为京港澳高速的重要组成部分，原路段为双向四车道，一般路段路基宽27m，局部路段（约18.3km）路基宽度为26m。实施项目为原京石段的改扩建项目，其主体工程包括：将四车道改为八车道的扩建路段，共185.843km；新建八车道高速公路，共38.835km；路基全宽42m，设计车速120km·h^-1。新旧路基拼宽是该项目的施工难点和控制重点。

为保证路基拼宽施工质量，减小新旧路基不均匀沉降，京石改扩建筹建处对旧路基边坡压实度进行了调查，结果普遍偏低。按照设计，路基拼宽时要开挖高80cm、宽120cm的台阶，其台阶部分明显薄弱，经专家论证，确定采用共振夯实机进行新加宽路基补强夯实的施工工艺。endprint

5.2 共振夯实机施工方法

新加宽路基铺设土工格栅后，每填高80cm就对旧路基进行开挖台阶，台阶宽120cm，然后用重型压路机对全宽范围（含开挖台阶）进行补强碾压，控制技术指标以最后两遍沉降差不大于3mm为准。对于开挖120cm台阶部位，如含水量大于最佳含水量，须翻拌晾晒或掺加石灰粉使之达到最佳含水量时，再进行补强碾压。补强碾压后，采用小型共振夯实机对120cm台阶部分进行补强夯压，需先将表面整平再压实。

按照设计及路基拼宽施工作业要求，每80cm采用超重型压路机进行补强碾压后，再采用夯实机对台阶部分进行夯实，夯实补强夯点采用梅花形布置，纵横向间距为100cm，采用间歇式作业，每个击点作业时间为8-13s，单点夯击80次以上。

共振夯实机施工的注意事项如下。

（1）由于过于松散的地面不便于共振夯作业，因此基底填土前要整平压实，这是为了下一工序的共振夯增强处理作场地准备；夯实作业由外向内进行，先夯实外侧，外侧的侧向力增大后，内侧的路基土密实性增长更快。

（2）各夯点应放线定位（图6），夯完后检查夯坑位置，发现偏差及漏夯应及时纠正。夯实施工时应对每一夯点的单夯夯击能量、夯击次数和每次夯击沉降量进行详细记录。

（3）基于共振夯的特性，夯点呈梅花式间接布点，间距为夯头直径的1-1.5倍（图7），对夯实过的表面，应松平表层10-15cm，再重新进行路基整平碾压工序，保证路基上部的压实度。

5.3 测试试验结果及分析

5.3.1 夯实效果评价

中国兵器工业北方勘察设计研究院采用面波法测试和重型动力触探试验对采用小型共振夯实机进行路基夯实前后的效果进行了检测。瑞利面波测试结果表明，夯实前，O-lm深度范围的波速为100m·s^-1，1-4m深度范围的波速为100-150m·s^-1，4m以下的波速为150-200m·s^-1。经夯实加固后，1-4m深度范围内的地基土剪切波速均有不同程度提高，约为150-200m·s^-1，加固效果较为明显；0-1m及4m以下的地基土剪切波速变化不大，加固效果不明显。重型动力触探试验亦得到了相近的结论，即夯实后1-4m深度范围动探击数均有不同程度提高，加固效果明显。

5.3.2 夯点间距的布置

试验表明，过小的夯距将影响相邻夯点的加固效果，在浅层叠加形成上部密实层，影响能量向深层传递，且易造成上部土体向已夯成的夯坑挤压。夯头直径1倍的夯点间距完成后，在30cm以下的部分，夯实的增强范围已经相连或叠合，为此规定了夯点间距为锤头直径的1-1.5倍。另外，共振夯底板的特殊设计限制了作用力向周围扩散，其扩散角小于强夯锤的扩散角，因此作业时对构筑物不产生负面影响。

5.3.3 对夯实次数的限定

试验表明，单点作用在80-100次、用时约10-15s时，路基增强效果最佳。低于80次达不到最大压实密度；超过100次时，周围的土出现隆起或过高隆起，表明击点内的土体已经劈裂。具体施工时，应依据现场土质，调整单点夯击次数，以夯点周围土体微微隆起为宜；并采用单点用时控制，以保证每一夯点作用力均匀，从而保持路基的整体强度均匀。施工中有的夯点浅是正常的，原因是原有土基的密度不均匀。共振夯的影响深度可达3-4m，在0.5-1.5m的位置密度增大明显。因此，建议每1-2m进行一次共振夯增强加固。

6 结语

通过分析可以得出，共振夯实机在工程实践中优于传统的强夯设备，它充分利用高频率、微振幅夯头对弹性土体的作用，使受夯土体实现了快速、低噪、高密实颗粒重组，且在夯实过程中有效减少了土基在强夯、强振作用下产生劈裂而引发的应力释放，能够有效提高土体弹性模量，加速路基沉降，有效控制弯沉，是解决桥头跳车、结构层破坏、新旧路基拼接、既有路基补强、噪音控制区路基填筑等压实问题的高效设备，可避免结构层底部出现较大的层底拉应力和疲劳性破坏，为公路建设实现“强基薄面”提供了强有力的设备支撑。endprint